宁夏荒漠草原区土地利用方式对AM真菌多样性的影响

李 贺，张楠楠 ，马 琨

(1.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,银川 750021；2.宁夏大学 农学院,银川 750021)

丛枝菌根(AM)真菌是一类在自然界中广泛分布的植物共生微生物，是农业生态系统中土壤微生物群落的一个重要组成部分[1]。AM真菌是连接地上与地下生态系统的纽带，影响着许多陆地生态系统；AM真菌的物种及功能多样性是维护生态系统稳定性的关键因素之一[2-4]。在AM真菌与植物形成的共生关系中， AM真菌通过其根外菌丝网，帮助植物吸收更多的磷、氮，有助于宿主植物生长[5]。菌根与植物的共生关系是不对称的，植物的选择性对AM真菌具有重要的影响[6]。冀春花等[7]在研究西北地区不同植被类型下AM真菌多样性时，发现由于土壤性状和植物群落组成的不同， AM真菌群落组成差异明显。由于 AM真菌对寄主植物的选择性及对环境条件的适应性不同，常造成自然生态系统中 AM 真菌属、种分布上的不均衡[8]。

土地利用方式的变化可改变土壤环境状况并影响其生态过程[9]。AM真菌作为生态系统的重要组成成分，在物质循环、土壤理化性质、稳定和修复土壤生态系统、提高植物生产力等方面起着重要作用[10-11]。近年来，相关研究多集中于土壤因子及植被类型对AM真菌多样性的影响上[12-15]；研究认为，AM真菌与土壤细菌及其他土壤微生物类群间的相互作用会对AM真菌多样性产生影响[3]。

宁夏中部荒漠草原区，植被覆盖稀少，农牧业开发利用后，土地利用方式的改变，影响荒漠草原区的农业景观。因此，通过开展几种典型土地利用方式下，土壤及植被类型对AM真菌多样性的影响调查，有助于探究AM真菌多样性及其与土壤微生物群落结构、功能间的相互作用机制；揭示AM真菌多样性与土地利用变化的关系。研究结果能为合理利用 AM 真菌和开发利用土地资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

取样地点位于宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区孙家滩农业综合开发区，东经105°45′～106°31′， 北纬37°10′～37°29′，年平均蒸发量为1 300 mm，年降水量为193.4 mm，属于温带干旱气候。2009年该区域开始逐步农业开发利用，土壤以低盐淡灰钙土和风积土为主。研究区原始植被以小芦草、猪毛蒿为主。

2013年9月采集样品，依据土地利用方式和植被类型，选择位于同一片区管理方法一致 、土壤与成土母质类型相同、地形要素相似的苜蓿地、青贮玉米地、谷子地、小芦草、猪毛蒿样地。在每个样地内随机选择样点，利用多点取样的方法，贴近植株根颈部去其枯枝落叶层挖土壤剖面,按5～30 cm 的土层，采集植物根附近土壤,将所取土样混合均匀放置于灭菌袋内带回。部分土样过2 mm筛后用于孢子鉴定，部分土样风干后用于土壤理化性状测定，部分土壤样品4 ℃保存，用于土壤微生物群落功能多样性测定(Biolog GN板)，部分冻存于-40 ℃用于土壤微生物群落结构组成(PLFA)的测定。

1.2 AM真菌孢子密度、菌根侵染率及孢子鉴定

每份样品取 100 g 风干土,用湿筛倾析法分离AM真菌孢子,在解剖镜下进行分格计数(孢子果按 1 个孢子计数)。在体视镜下观察孢子的形态结构特征,按孢子的大小、形状、壁厚、壁层、颜色等进行初步分类,然后挑取孢子,分别用聚乙烯醇(PVA) 和梅尔泽试剂(等量混合)制片。AM 真菌主要根据 Schenck和Pérez 的《VA 菌根真菌鉴定手册》[16]资料进行分类鉴定。计算Shannon-Wiener指数(H)、种的丰富度(SR)和物种均匀度(J)来描述AM真菌的多样性特征[17]。

计算公式如下：

H= -∑(Pi)ln(Pi)，Pi=ni/N，ni是每个样地中每种AM真菌个数，N是该样地AM真菌孢子总数。

SR=AM真菌总种次数/土样数

J=H/lnS。其中，H为Shannon-Wiener多样性指数，S为某采样点AM真菌总种数。

1.3 土壤微生物结构与功能的测定

土壤微生物磷脂脂肪酸测定依照魏常慧等[18]的提取步骤，采用Agilent 6850型气相色谱仪测定，在进样口为250 ℃、H2流量为40 mL/min(0.4 MPa)、氮气(0.4 Mpa)、色谱柱为Agilent HP-5MS，30 μm×250 μm×0.25 μm，柱温：170 ℃，MIDI Sherlock脂肪酸图谱微生物鉴定系统分析待检样品。土壤微生物功能的测定：采用BIOLOG-GN板来确定供试土壤微生物群落水平的生理分布[19]。

1.4 试验数据处理

采用DPS 13.5对数据进行统计分析和方差分析，采用Canoco 4.5软件进行多元分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下AM真菌的属、种分布特征

不同土地利用方式下，土壤中共鉴定出AM真菌4属48种(表1)，其中球囊霉属(Glomus)33种，无梗囊霉属(Acaulospora)11种，巨孢囊霉属(Gigaspora)和盾巨孢囊霉属(Scutellospora)各2种。不同类型样地土壤AM真菌种的分布差异很大。各类型样地下土壤中都有分布的AM真菌有6种：分别为网状球囊霉(G.reticulatum)、缩球囊霉(G.constrictum)、卷曲球囊霉(G.convolutum)、德里球囊霉(G.delhiense)、地表球囊霉(G.versiforme)、网纹盾巨孢囊霉(S.reticulata)，其中5种AM真菌都属于球囊霉属，说明球囊霉属在这一地区的分布性较广、适应性较好。

11种无梗囊霉属中，苜蓿地土壤中有8种，明显高于其他处理。玉米地利用方式下，AM真菌种类最多，达35种，占全部AM真菌的73%。人工苜蓿、青贮玉米和谷子地土壤中AM真菌种类明显多于2个原始植被类型，前3种土地类型下，土壤中均有AM真菌的特有种；其中，玉米地利用方式下的特有种最多，而小芦草地及猪毛蒿地土壤中AM真菌的特有种则较少。

从土壤AM真菌属的分布频率来看(表2),球囊霉属、无梗囊霉属、巨孢囊霉属和盾巨孢囊霉属，4属在所有样地中均有分布。AM真菌属的分布频率上,球囊霉属出现的频率最高,其次是盾巨孢囊霉属，巨孢囊霉属出现的频率最低。小芦草地与谷子地AM真菌各属分布频率的趋势大致相同，但这2种土地利用方式下，盾巨孢囊霉属、巨孢囊霉属的分布频率显著高于其他3种类型样地。不同土地利用方式下，AM真菌优势种也有区别：苜蓿地与猪毛蒿地土壤AM真菌优势种均为黑球囊霉(G.melanosporum)，谷子地与小芦草地土壤AM真菌的优势种均为网纹盾巨孢囊霉(S.reticulata)，青贮玉米利用方式下AM真菌优势种为摩西球囊霉(G.mosseae)。

表1 不同土地利用方式下土壤AM真菌的分布Table 1 Distribution of AM fungi species in different land use patterns

注：+ 代表发现该种。

Note:+ species occurred.

表2 不同土地利用方式下土壤AM真菌属的分布频率及优势种Table 2 Relative abundance and dominant species of AM fungi genera in different land use patterns

2.2 不同土地利用方式下土壤AM真菌多样性特征

AM真菌的Shannon-Wiener指数(H)在谷子地土壤中最高,在猪毛蒿样地土壤中较低；在其他3种植被类型的土地利用方式中差异不明显(表3)。苜蓿、谷子、青贮玉米利用方式下土壤AM真菌物种多样性指数均高于2种原始植被类型。AM真菌种的丰富度表现为：青贮玉米、苜蓿、谷子地类型下较原始植被类型平均提高46.41%～70.65%。AM真菌种的丰富度(SR)与多样性指数的变化趋势相类似；均表现苜蓿、谷子和青贮玉米地土壤AM真菌的物种丰富度及多样性提高。各土地利用方式下，除猪毛蒿地土壤AM真菌种均匀度指数(J)明显低于其他处理外，其他各处理土壤AM真菌种的均匀度指数(J)变化不大。

表3 不同土地利用方式下AM真菌的物种多样性指数Table 3 Species diversity index of AM fungi in different land use patterns

2.3 土壤AM真菌多样性与土壤环境因子、土壤微生物群落结构与功能的关系

RDA排序图内不同因素之间的箭头方向和夹角表示它们之间的相关性。箭头方向相同表示正相关，相反表示负相关；夹角越小相关性越高。相关研究表明，影响AM真菌多样性的因素除了寄主植物以外，还有土壤养分、土壤pH和土壤微生物群落结构及功能等环境因子[20-23]。

由图1-a可见，土壤因子与AM真菌多样性的多元分析图前两轴解释信息量达100%，第1排序轴为93.2%，第2轴为6.8%。5个处理分布在3个不同的象限，各土壤因子主要指向苜蓿、青贮玉米、小芦草处理；土壤AM真菌H指数与土壤有机质、全氮有显著的正相关关系，说明这3种处理下土壤中有机质和全氮质量分数较高，有利于提高AM真菌H指数。碱解氮和pH与孢子密度有很好的正相关关系；除J指数外，土壤速效磷与各AM真菌多样性指标均呈显著负相关，过高的速效磷对AM真菌的生长发育具有抑制作用，而全磷对AM真菌的多样性影响较小。

由图1-b可见，AM真菌多样性指标与土壤微生物群落结构能在前两轴累积贡献率99.6%上揭示不同土地利用方式下AM真菌的空间分异。AM真菌多样性指数与土壤细菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有正相关关系，与土壤细菌显著正相关；其中在苜蓿地利用类型下，土壤AM真菌多样性对土壤细菌的影响最大。表明在AM真菌多样性增加的同时，土壤中细菌也会随之增长。AM真菌种的丰富度及孢子密度与革兰氏阴性菌显著正相关，而与放线菌和真菌显著负相关。说明随着土壤中微生物群落结构的变化 AM真菌多样性指数会受到显著影响。

AM真菌多样性与土壤微生物功能在前两轴上累积解释信息量达99%，可以表示土壤AM真菌多样性与土壤微生物碳源利用功能间的相互影响(图1-c)。图1-c中土壤AM真菌多样性指数(H)、均匀度指数(J)以及种的丰富度(SR)与土壤多聚化合物显著正相关，菌根侵染率与羧酸类化合物显著正相关；而孢子密度与碳水化合物类、芳香化合物类、氨基酸类及胺类化合物均呈显著正相关，对轴1及轴2起分异作用的主要碳源是碳水化合物类、芳香化合物类、氨基酸类及胺类化合物，说明在各土地利用方式下这几种碳源是对土壤AM真菌多样性变化的敏感碳源，是土壤中广泛分布且能被各类微生物较好利用的碳源种类。

a图为土壤因子与AM真菌多样性指标之间的RDA分析 Figure a shows the RDA analysis of soil factors and AM fungal diversity indices；b图为AM真菌多样性指标与土壤微生物结构之间的RDA分析 Figure b shows the RDA analysis between AM fungal diversity indices and soil microbial structure；图c为AM真菌多样性指标与土壤微生物功能之间的RDA分析 Figure c shows the correlation between AM fungal diversity indices and soil microbial function RDA analysis；1.苜蓿 Alfalfa；2.谷子 Millet；3.青贮玉米 Silage maize；4.处小芦草 Small reed；5.猪毛蒿 Artemisia scoparia；OM.有机质 Organic matte; TN.全氮 Total nitrogen; TP.全磷 Total phosphorus; AN.碱解氮 Available nitrogen; AP.速效磷 Available potassium;AK.速效钾 Available kalium; Carbox.羧酸类化合物 Acid compounds; Pol.多聚化合物 Polymer compounds; Carboh.碳水化合物类 Carbohydrate; Phe.芳香类化合物 Aromatic compounds;Amino.氨基酸类 Amino acid;Amine.胺类化合物 Amine compounds;Bacter.细菌 Bacter; Fun.真菌 Fungal; G+.革兰氏阳性菌 Gram-positive Bacteria; G-.革兰氏阴性菌 Gram-negative bacteria; Act.放线菌 Actinomycetes; c.rate.菌根侵染率 Mycorrhizal infection rate; s.densit.孢子密度 Spore density;H.AM真菌多样性指数 Shannon-Wiener index;J.均匀度指数 Evenness index;SR.种的丰富度 Species richness

图1AM真菌多样性与土壤环境因子及土壤微生物群落结构、功能间的多元分析
Fig.1RDApatternofAMfungaldiversityindexwithsoilfactors,soilmicrobialcommunitystructureandsoilmicrobialfunction

3 讨论与结论

3.1 讨 论

土壤中共分离鉴定出4属48种AM真菌，球囊霉属为共有优势属。5种典型样地下，土壤AM真菌多样性分布存在较大差异。已有研究表明：植物、土壤与AM真菌间相互作用，共同影响AM真菌的定殖、植物的生长及土壤的理化性状[24]。在一定程度上，宿主植物是植物多样性的重要影响因素[25]。AM 真菌作为专性共生真菌对不同宿主植物产生的依赖性不同[26],AM真菌群落多样性对于植物多样性的响应非常敏感[27],一些植物种类明显比另一些植物种类更容易被丛枝菌根真菌所定殖[28]。本研究中，青贮玉米的利用方式下，土壤AM真菌属种数量最高， AM真菌物种多样性指数也较高。相关研究认为，玉米是AM真菌的优良寄主[29]，玉米作为一种C4植物，在适应能力上，C4植物能够更强的适应高温、强光和干旱的条件，能为真菌提供更多的碳，从而影响其共生功能[6]。试验中，不同土地利用方式下，AM真菌的多样性指数也不相同。刘润进等[30]在综述地中海半干旱退化草地的研究成果时，阐述不同植物根际的真菌多样性显著不同。Jun等[31]在研究沙漠化草地植被重建时发现，AM真菌的组成和多样性具有寄主特异性；Andrea等[32]研究表明，AM真菌多样性受寄主植物影响，单、双子叶的植物对AM真菌多样性的影响不同，植被类型对AM真菌的分布及其多样性有显著影响。在物种水平上，由于不同种宿主植物生理代谢、根系内部环境及其分泌物不同，必然会影响不同AM真菌的侵染，进而改变其群落组成[27]。

有研究表明土壤速效磷含量过高往往会抑制 AM 真菌的生长、发育和功能[33]。RDA分析显示土壤速效磷是影响AM真菌多样性最主要的土壤因子，土壤速效磷与土壤AM真菌多样性指数、种的丰富度、菌根侵染率和孢子密度呈显著负相关。试验中，各样地的pH为8.3～8.6，主要菌属为球囊霉属；冀春花等[7]在研究西北地区AM真菌多样性时发现球囊霉属在pH在7.5～8.5范围内频度最高，贺学礼等[12]调查荒漠柠条时也发现在偏碱性的条件下，随着土壤pH增加球囊霉属相对多度逐渐升高，表明球囊霉属真菌较其他属真菌相比更适合在偏碱性的条件下分布，这可能是由于球囊霉素的适应性强，在各类型土壤pH范围内分布较均匀，而无梗囊霉属、巨孢囊霉属和盾巨孢囊霉属的AM真菌均较多出现在pH低于7的土壤中[23]。本试验多元分析结果表明，pH与孢子密度呈显著正相关，表明土壤中pH的变化会影响AM真菌孢子密度，与前人的结果相一致，土壤pH除了改变AM真菌属种分布以外，还会影响AM真菌的产孢能力[34]。

有研究表明，接种AM真菌可以提高土壤中微生物生物量并改变土壤微生物群落结构[35]。土壤微生物本身就是一种土壤有效养分的储备库，在土壤有机质和养分转化与循环中起重要作用；Keith等[36]的研究表明，在添加AM真菌的处理中，土壤微生物的含量有显著提高。试验中，土壤微生物群落结构组成中真菌和放线菌与AM真菌均匀度指数均呈明显的正相关关系，说明AM真菌的均匀度受到土壤真菌和土壤放线菌种群的影响。AM真菌多样性指数与土壤真菌呈良好的正相关关系，土壤中的真菌生物量越大，AM真菌多样性越高。可见，AM真菌与土壤微生物的作用是相互的，土地利用变化改变了AM真菌多样性的同时，也改变了土壤微生物群落结构，并且土壤微生物对不同碳源的利用模式也发生了改变。这可能是由于土壤微生物群落功能变化受土壤微生物群落结构的影响，不同的植物根系的分泌物不同，相应地影响了利用此类碳源的微生物生长。

3.2 结 论

5种不同土地利用方式下土壤AM真菌多样性差异显著，其变化受植被类型、土壤养分、土壤微生物、土壤碳源等多种因素影响。苜蓿、谷子、青贮玉米利用方式下土壤AM真菌种类明显多于2个原始植被类型，且均有AM真菌特有种，而2个原始植被类型均没有特有种；苜蓿、谷子、青贮玉米利用方式下物种多样性指数、种的丰富度均高于2种原始植被类型，可见，土地利用方式的不同，AM真菌的种类及多样性变化不同。本试验不仅揭示AM真菌多样性与土地利用变化的关系，同时为合理开发利用宁夏荒漠草原区提供依据和参考。